Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Крупномасштабные особенности высокоширотной ионосферы по измерениям на Якутской цепочке ионосферных станций и со спутников

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Крупномасштабные особенности высокоширотной ионосферы по измерениям на Якутской цепочке ионосферных станций и со спутников"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СЖИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ КОШКЕИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ И АЭРОНОМИИ

г о од

, ; „.-,.•- На правах рукописи

С (

Степанов Александр Егорович

УДК 550.388.2

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ИЗГЕРЕНШ! НА ЯКУТСКОЙ ЦЕПОЧКЕ ИОНОСФЕРНЫХ СТАНЦИИ И СО

СПУТНИКОВ

04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Якутск - 1998

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор Гальперин Ю.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Голиков И.А. кандидат физико-математических наук, Тавдлин A.B.

Ведущая организация: Полярный Геофизический Институт

/у часов на заседании Диссертационного Совета К200.40.01 в Институте космофизических исследований и аэрономии СО РАН по адресу: 677891, г.Якутск, пр.Ленина, 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКФИА' СО РАН.

Автореферат разослан " '¿(-¡унр7 1993 г. Ученый секретарь Диссертационного Совета,

Кольского Филиала РАН (ПГИ)

Защита диссертации состоится

кандидат физико-математических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процессы, протекающие в высокоширотной ионосфере - субавроральной и авроральной областях и полярной шапке, несут информацию о взаимосвязи в системе солнечный ветер - магнитосфера - ионосфера. Обширные экспериментальные материалы, собираемые наземными обсерваториями и спутниками, служат основой для создания численных теоретических и эмпирических моделей высокоширотной ионосферы. Но в этих моделях пока еще не учтены такие особенности как узкий провал ионизации, ступенчатая структура полярной стенки главного провала в утреннем секторе и ' крупномасштабные сгустки ионосферной плазмы, которые идентифицируются по измерениям на Якутской цепочке ионосферных станций. Таким образом, актуальность данной работы заключается в том, что по данным Якутской цепочки станций можно локализовать и контролировать в реальном времени положения этих структур, проследить их динамику и тем самым давать возможность для улучшения пространственных и временных моделей высокоширотной ионосферы. Положение экваториальной границы дневного каспа и полярной кромки главного ионосферного провала зависит от уровня геомагнитной возмущенности и, поэтому, мониторинг этих границ позволяет оценивать текущий уровень возмущенности.

Цель работы. Целью настоящей работы является исследование параметров и динамики крупномасштабных неоднородностей высокоширотной ионосферы по наземным экспериментальным измерениям на Якутской цепочке ионосферных станций и измерениям со

спутников Ореол-3, БЕ-1,2 и 0М5Р Г?\Е9.

Научная новизна. В данной работе впервые собраны разрозненные материалы по физической интерпретации и классификации наклонных радиоотражений, регистрируемых на ионограммах вертикального и возвратно-наклонного радиозондирований высокоширотной ионосферы. По наземным экспериментальным ионосферным данным Якутской цепочки построена модель положений полярного края главного провала в утреннем секторе в зависимости от геомагнитной возмущенности, которая хорошо соответствует с модельными представлениями, полученными по спутниковым измерениям высыпающихся частиц. Предложена, отличная от других существующих гипотез, гипотеза формирования крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы за счет ее неадиабатического сжатия в области дневного каспа.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты по крупномасштабным ионосферным структурам в субавроральной и авроральной зонах и полярной шапке могут быть использованы для прогнозирования условий прохождения радиоволн декаметро-вого диапазона, а также полезны для построения и уточнения существующих теоретических моделей, описывающих состояние ионосферной плазмы в высоких широтах.

Личный вклад. Автор работы принимал непосредственное участие в проведении экспедиционных работ в Жиганске, Тикси и о.Котельный и измерений дрейфов методом Б1 в Жиганске в 1.982-96 гг. Проделал большой объем работы по обработке и анализу ионосферных данных Якутской цепочки ионозондов и экспериментальных материалов по измерениям дрейфов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Проведена интерпретация и классификация наклонных радиоотражений, получаемых на ионограммах вертикального и возвратно-наклонного зондирований ионосферы, по их виду, форме и времени появления, по данным станций Якутской меридиональной цепочки. Выделены следующие типы отражений от крупномасштабных структур:

- наклонные отражения от неоднородностей экваториального края области дневного каспа/клефта;

- наклонные отражения от узких провалов ионизации или быстрых субавроральных западных ионных дрейфов;

- наклонные отражения от дискретных форм дуг полярных сияний;

2. По наземным ионосферным данным построена эмпирическая модель положений полярной стенки главного ионосферного провала в секторе местного магнитного времени 00.00 - 06.00 часов.

3. Предложена физическая интерпретация формирования крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы в области дневного каспа за счет неадиабатического сжатия плазмы при резких изменениях параметров ШП.

4. Выявлены признаки крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы по данным наземных высокоширотных станций в утреннем секторе.

Реализация результатов. Основные результаты исследований использованы в отчетах НИР и ряда хоздоговорных тем. выполненных в лаборатории■ионосферных исследований ИКФИА.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международном симпозиуме КАПГ "Физические проб- 5 -

лемы в области провала в период магнитосферных возмущений" (Гарцау, ГДР, 1986 г.), на Международном Симпозиуме по Полярным Геомагнитным Явлениям (Суздаль, СССР, 1986г.), на XIX Генеральной Ассамблее МАГА (Монреаль, Канада, 1987 г.), на XXI Генеральной Ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995 г.), на XXXI научной Ассамблее C0SPAR (Бирмингем, Англия, 1996 г.), на XXII Генеральной Ассамблее EGS (Вена, Австрия, 1997 г.), на VIII научной Ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997 г.), а также обсуждались на научных семинарах ИКИ РАН, ПГЙ КФ РАН, ИСЗФ СО РАН, ИКФИА и ЯГУ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации 124 страницы, она содержит 69 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы из 131 наименования.

Содержание работы

Во введении кратко описано общее состояние исследуемой проблемы, сформулированы цели и приведены методы ее выполнения. Представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведено краткое техническое описание аппаратурного оборудования для радиозондирования ионосферы и параметры и характеристики антенн для вертикального (ВЗ) и возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ), установленных на Якутской меридиональной сети ионосферных станций. Показано, что применение антенной системы "горизонтальный ромб" существенно повышает объем получаемой информации с

ионосферных высот за счет расширения диапазона зондируемых широт. Приведены анализ и классификация наклонных радиоотражений, получаемых методом ВНЗ. Наклонные следы отражений на ионограммах ВНЗ подразделены на следующие типы по их виду и характеристикам: следы от крупномасштабных неоднородностей, возникающих в области полярной стенки главного ионосферного провала и каспа/клефта, следы от узких провалов ионизации вблизи проекции плазмопаузы и следы ог дискретных дуг полярных сияний.

Во второй главе приведены наземные и спутниковые измерения параметров и динамики высокоширотной ионосферы в дневном и ночном секторах. Показаны одновременные наземные и спутниковые наблюдения таких структур как полярная кромка ГШ, дневной полярный касп/клефт и узкий провал ионизации. Для области каспа/клефта по наземному радиозондированию получены статистические распределения ее экваториальной границы относительно дневной части аврорального овала и в зависимости от уровня геомагнитной -возмущённое™. По наземным ионосферным данным построена модель положения полярной стенки ГИП в утреннем секторе. Показано, что в спокойных условиях полярная стенка ГШ может смещаться или к экватору, или в сторону полюса. Приведены спутниковые материалы по измерениям продольных движений в полосе быстрых западных ионных дрейфов. Показано, что в формировании узких провалов ионизации немалую роль играет вынос ионосферной плазмы вверх вдоль силовой трубки.

В третьей главе приведены исследования крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы в полярных широтах. Рассмотрены

методы наблюдения сгустков и подробно анализируются механизмы их формирования. Показаны измерения сгустков по данным советско-французского спутника "Ореол-3" и приведены траек-торные расчеты для сгустков, регистрировавшихся в ночном секторе МЫ. Предлагается физическая интерпретация формирования сгустка плазмы за счет неадиабатического сжатия ионосферной плазмы. Приведены примеры наблюдения крупномасштабных сгустков и сезонный ход их появления по данным наземных ио-нозондов в утреннем секторе.

В заключении кратко перечислены основные результаты, полученные в ходе выполнения работы.

1. Проведена физическая интерпретация и классификация наклонных радиоотражений, получаемых на ионограммах вертикального и возвратно-наклонного зондирований ионосферы, по их виду, форме и времени появления, по данным станций Якутской меридиональной цепочки. Выделены следующие типы отражений от крупномасштабных структур:

- наклонные отражения от неоднородностей экваториального края области дневного каспа/клефта;

- наклонные отражения от узких провалов ионизации или быстрых субавроральных западных ионных дрейфов;

- наклонные отражения от дискретных форм полярных сияний;

2. По синхронным спутниковым и наземным измерениям показано, что характерные дополнительные следы отражений на ионограммах высокоширотных станций ВНЗ в дневное время возникают в результате обратного рассеяния радиосигналов от неоднородностей, локализованных в области каспа/клефта.

3. Получены эмпирические модели положения экваториальных

границ отражений от области дневного каспа/клефта в зависимости от Кр-индекса и местного времени. Статистическое сопоставление экваториальных границ каспа/клефта с дневной частью аврорального овала показало, что в периоды спокойных геомагнитных условий (Кр=0-2) область каспа/клефта расположена или близко примыкает к полярной стороне овала; в возмущенные периоды (Кр>3) область каспа/клефта расположена-внутри аврорального овала.

4. В спокойных условиях в поздние утренние и ранние вечерние часы наблюдаются резкие широтные смещения границ радиоотражений, которые вызваны сменой отражающих структур в высокоширотной ионосфере. Представлена схематическая картина зоны появления радиоотражений от области дневного каспа относительно основных зон вторжения авроральных электронов.

5. По материалам спутниковых измерений показано, что в формировании узких провалов ионизации на субавроральных широтах существенную роль играет также вертикальный перенос ионосферной плазмы, который необходимо учитывать при модельных расчетах.

6. Предложена физическая интерпретация формирования крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы в области дневного каспа за счет неадйабатического сжатия плазмы при резких изменениях параметров ШП. Выявлены признаки крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы по данным наземных высокоширотных станций в утреннем секторе. Зависимость частоты появления сгустков плазмы от сезона показывает, что в зимние месяцы сгустки регистрируются почти каждую ночь, в равноденственные месяцы, их существенно меньше (3-я, 4-я ночь.), а в

летние месяцы сгустки практически не наблюдаются.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Л.Халипов, Е.В. Голенков, Н.Е. Молочушкин , А.Е. Степанов. Характерные следы на ионограммах ВНЗ при появлении дуг полярных сияний. В сб.: Бюллетень НТИ. Проблемы космофи-зики и аэрономии, Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984, с.24-27.

2. Y.L.Khalipov, L.D.Sivtseva, V.M. Fillppov, А.Е. Ste-panov, L.M. Nikolaenko, J.M. Bosqued, C. Beghin. Step-like profiles of electron density in the subauroral lower F-regi-on in the morning sector and possible mechanisms of their formation during substorms : the comparison of data of ground-based ionosondes with the AUREOL-3 satellite measurements. In: Results of the ARCAD 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics,Toulouse, CNES, editor. CEPADUES-EDITIONS, Toulouse, 1986, p. 895-916.

3. В.Л.Халипов, Л.Д. Сивцева, А.Е. Степанов , Л.М. Нико-лаенко. Структура ионизации на полярной кромке главного провала в утреннем секторе в периоды интенсивных магнитных возмущений. В сб.: Высокоширотная ионосфера и магнитосферно-ионосферные связи, Апатиты: КФ АН СССР, 1986, с.13-20.

4. Д.Д.Решетников, В.М. Филиппов, Д.Г. Баишев, А.Е. Степанов, Р.П. Андреев, А.И. Эверстов, Ю.И. Гальперин, В.Л. Ха-липов, Л.Д. Сивцева, Л.В. Шестакова, В.В. Афонин, В.Н. Алексеев, B.C. Соловьев. Морфология и динамика узких провалов ионизации в субавроральной области F, Якутск: ЯФ СО АН СССР,

1987, 40 с.

5. В.M.Филиппов, Д.Д. Решетников, B.C. Соловьев, А.Е. Степанов , Р.П. Андреев. Наблюдения методом Д1 полосы субав-рорального ионного дрейфа. В сб.: Комплексные исследования полярной ионосферы, Апатиты: КФ АН СССР, 1987, с.45-48.

6. В.Л.Халипов, А.Е. Степанов, И.Ф. Федоров , A.A. Отпу-щенко. Динамика дневного полярного каспа по результатам спутниковых и наземных измерений. В сб.:- Экспериментальные исследования околоземного космического пространства, Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987, с.56-61.

7. В.Л.Халипов, А.Е. Степанов, Е.Ю. Новопашина, Модель положения полярной кромки ионосферного провала в утреннем секторе, Геомагн. и азрон., 1987, 27, N5, с.842-843.

8. Н.П.Бенькова, Е.Ф. Козлов, Н.Я. Саморокин, В.М. Филиппов, В.Л. Халипов, А.Е. Степанов, A.B. Баранова , О.М. Пирог. Исследование полярной стенки главного ионосферного провала по одновременным измерениям на разных долготах. В сб.: Physical processes in the trough region during disturbances. Proc. of the Intern.Sympos., Garzau, DDR. Editors: C.-F.Wagner and M.Forster, Berlin, 1987, pp.46-51.

9. Решетников Д.Д., Филиппов В.М., Степанов А.Е.,Халипов В.Л., Гальперин Ю.И., Ваишев Д.Г. Комплексные наблюдения узких провалов ионизации наземными и спутниковыми методами, Исслед. по геомагн.,аэрон, и физ. Солнца, М..Наука, 1989, вып.85, с.26-32.

10. В.М.Филиппов, Д.Д. Решетников, В.Л. Халипов, А.Е. Степанов, B.C. Соловьев, Т.М. Мулярчик, Комплексные измерения узких провалов ионизации в области F наземными и спутни-

ковши методами, Космич. исслед., 1989, 27, N4, 568-584.

11. А.В.Баранова, О.М. Пирог, Н.И. Саморокин, А.Е. Степанов, В.М. Филиппов , В.Л. Халипов. Иссследования полярной стенки главного ионосферного провала по одновременным измерениям на разных долготах. В сб.: Исследования субаврораль-ной ионосферы, М.:ИЗМИРАН, 1989, с.6-12.

12. А.Е.Степанов, В.Л. Халипов , В.М. Филиппов. Динамика области дневного полярного каспа по наземным данным. В сб.: Исследования субавроральной ионосферы, М. -.ИЗМИРАН, 1989, с.27-35.

13. А.Е.Степанов, Ю.И. Гальперин, К. Беген, A.A. Серов, Измерения крупномасштабных сгустков ионосферной плазмы в полярных широтах со спутника Ореол-3, Космич. исслед., 1992, 30, N4, 534-542.

14. L.V.Shestakova, А.Е. Stepanov, V.L. Khalipov, А.P. Mamrukov, L.D. Filippov, E.K. Zikrach, V.V. Afonin, High-La-. titude Ionosphere Structure in Dayside Sector on Sround-Ba-sed and Satellite Measurements, Adv. Space Res., 1997, 20, N3, pp.415-418.